赤泥粒径分级及回收利用研究

赤泥粒径分级及回收利用研究

红色污泥是从铝矿中提取的杂质。目前,世界上大量的赤泥采用海洋排放或陆地堆存来进行处置,我国的赤泥主要采用筑坝堆存。赤泥的堆放不仅占用大量土地,耗费巨额堆场建设费用和维护费用,而且可能造成地下水和土壤污染。近年来,国内外曾发生过多起赤泥堆场渗漏事件,造成了周边环境的严重污染。一般情况下,拜耳法赤泥中Fe、Al等金属含量较高,是一种潜在的二次资源。国内外对拜耳法赤泥中Fe、Al元素的回收进行了广泛的研究。赤泥中铁的回收多采用还原焙烧法。赤泥中铝的回收多采用碱石灰烧结法。赤泥中铁和铝回收的一般原理可用以下方程式表示:在上述铁、铝单独回收的工艺中,都要经过高温烧结的过程。采用还原焙烧-溶出-磁选工艺进行铁铝联合回收,即将氧化铁的还原和氧化铝的烧结在同一个高温过程中完成,有望减少工艺流程,大大降低铁铝回收的综合能耗及成本。近年来国内开展了相关研究。由于拜耳法赤泥中Si含量高,A/S较小,造成铁铝回收难度较大,影响铁铝回收效率。Jamieson等研究表明对赤泥进行粒径分级预处理有利于提高有价元素回收效率。Picaro等对澳洲拜耳法赤泥进行了粒径及矿物组成的研究。国内有相关实践,但分析尚不透彻。本文分析了山东铝业公司拜耳法赤泥的粒径分布,研究了铁、铝、硅、钙、钠等元素及矿物组成在不同粒径赤泥中的变化情况,进而提出先将赤泥粒径分级预处理,再根据粗细粒径赤泥的差异分别进行回收利用。整体技术路线如图1所示。本文研究将为该整体技术路线提供依据。1原料和方法的实验1.1赤泥还原ro1所使用的拜耳法赤泥由山东铝业公司第二氧化铝厂提供。该赤泥样品中Fe2O3、SiO2、Al2O3和Na2O等主要成分的质量含量分别为:30.77%、22.11%、18.01%和8.20%,其中A/S仅为0.81。如果按照传统烧结技术回收铝,需要配入大量的石灰(或石灰石),物料处理量大,成本和能耗较高。赤泥原样主要矿物组成为三水铝石(Al(OH)3)、石英(SiO2)、赤铁矿(Fe2O3),并伴有少量的硅酸钠铝盐的水合物(图2)。从图3中的微观形貌来看,赤泥主要由细小颗粒组成,但实际上赤泥中仍包裹或夹杂一些粗大的颗粒。1.2x射线衍射分析pert烘箱,强力电动搅拌器,标准筛一套(1.2、0.3、0.15和0.075mm等),X’PertPROX射线衍射仪,Sirion200场发射扫描电子显微镜。1.3不同粒径赤泥的xrd分析准确称取1000g干燥后的样品2份,同步进行分级实验。样品分别置于塑料桶中,加适量水浸泡,用强力电动搅拌器搅拌,尽可能将赤泥团聚颗粒打散。根据赤泥粒径的大致分布选择孔径分别为1.2、0.3、0.15和0.075mm的标准筛,然后将标准筛按照筛孔粒径渐小的顺序自上而下排列,采用水流冲洗分级。将各级筛上物及0.075mm筛下物收集起来,置于烘箱中烘干。记录各级粒径的质量;分析各级粒径物料的化学组成,结果取均值后进行分析。为了研究赤泥中主要矿物组成,对原赤泥及筛分后不同粒径的赤泥进行了XRD分析。实验条件:铜靶材,Ni滤波,管压40kV,管流40mA,扫描角度5°~75°。2结果与讨论2.1径大小测定径将各级赤泥放入烘箱烘干后,称其质量。其中,赤泥粒径小于0.075mm的占大部分,为74.31%;粒径大于1.2mm的很少,仅占4.11%;粒径在1.2~0.075mm之间的占赤泥总量的21.58%。2.2不同因素的不同粒度分布2.2.1赤泥外观特征图4为筛分后各级赤泥的外观,从左到右赤泥的粒径逐渐增大。由图看出粒径小于0.075mm的赤泥外观呈赤色粘土状;粒径在0.075mm与1.2mm之间的赤泥较粒径小于0.075mm的赤泥颜色较深,呈沙粒状;而粒径大于1.2mm的主要是原赤泥中含有的粗大石子。2.2.2拜耳法工艺中表面质量的初步筛选将原赤泥以及筛分后的各级赤泥进行化学成分分析,结果列于表1。从表1可看出,粒径大于1.2mm的大颗粒赤泥的主要化学成分是CaO。结合图4中的外观特征,可以推断出该部分赤泥主要是拜耳法工艺中不能反应的石灰石;粒径在0.075mm与1.2mm之间的中颗粒赤泥的化学组成较为相似,Fe2O3与SiO2含量较高,Al2O3与Na2O含量较低,N/S下降;粒径小于0.075mm的细颗粒赤泥相对于原赤泥的化学组成,Al2O3含量有所增加,SiO2含量明显降低,A/S由原赤泥的0.81增加到1.08。2.3矿物组成分析将筛分后的各粒径赤泥及原赤泥进行XRD分析,所得的XRD图谱如图5所示。图5中所有XRD图谱都是在相同的XRD检测条件下完成的,因此衍射峰强弱的变化可以反映出不同粒径赤泥中矿物含量的相对变化。从图5可以看出,分选后粒径小于0.075mm的细颗粒赤泥主晶相为Al(OH)3;粒径在0.075mm与1.2mm之间的中颗粒赤泥矿物组成较为相似,主晶相为SiO2,与粒径小于0.075mm的细颗粒赤泥相比较,Al(OH)3含量大大减少,几乎鉴别不出来Al(OH)3晶体;粒径大于1.2mm的大颗粒赤泥主晶相为CaCO3,其中Al(OH)3和SiO2含量均大大减少。上述XRD图谱中矿物组成的变化规律与表1中的化学组成的变化规律是吻合的。另外可看出,粒径在0.075mm以上的部分含铝的矿物相很少,大部分的铝元素富集在粒径小于0.075mm的细颗粒赤泥中。因此,表1和图5可以证明,赤泥进行粒径分级可以提高细颗粒赤泥的A/S,有利于提高铝回收效率。2.4磁选工艺对原赤泥的保护作用通过筛分后,粒径在0.075mm以上的赤泥中的赤铁矿和氧化硅可以通过磁选、重选等工艺进行分离。山东信发三利环保有限公司进行了相关实践,结果表明,经磁选和重力分选之后,精矿部分总铁含量可以达到54.72%,粗砂用于生产混凝土砖。粒径小于0.075mm的细颗粒赤泥的A/S由原赤泥的0.81增加到1.08,可以通过还原焙烧-溶出-磁选工艺联合回收铁、铝和碱。初步实验结果显示,氧化铝的回收率可以达到85.66%,铁回收率可以接近60%。按照烧结法体系中的基本反应原理,为了避免氧化硅在溶出过程中进入液相而造成碱和铝的损失,氧化硅需要与CaO发生反应,生成2CaO·SiO2。按照化学反应方程可以计算,烧结原料中SiO2含量降低1%,每吨原料将少消耗石灰约18.7kg(或石灰石33.4kg)。在本文中,预处理前原赤泥中的氧化硅含量为22.11%,将赤泥中含有的氧化钙考虑在内,处理每吨原赤泥需要添加石灰372.1kg(或石灰石664.5kg);经分级预处理之后,细赤泥占原赤泥质量的74.31%,氧化硅含量为19.82%,将细赤泥中氧化钙考虑在内,烧结工序石灰的消耗量为250kg(或石灰石446.5kg),从而节约石灰122.1kg(或石灰石218kg)。按照生产每吨石灰排放CO21.3t计算,分选过程可以使得处理每吨原赤泥时CO2的排放量降低158.7kg。因此,分级过程可以有效减少赤泥处理过程中的成本,降低CO2的排放,实现赤泥的综合利用,解决赤泥带来的环境污染问题。3不同粒径赤泥的地球化学特征(1)该拜耳法赤泥中铁铝含量较高,具有较好的回收价值,粒径分级有利于提高回收效率。(2)根据筛分结果,粒径大于1.2mm的大颗粒赤泥主要化学成分是CaO,主要矿物组成为CaCO3;0.12~0.075mm之间的中颗粒赤泥中SiO2与Fe2O3含量较高,Al2O3的含量较低,主要矿物组成为SiO2与Fe2O3;赤泥粒径小于0.075mm的细颗粒赤泥占原赤泥质量的74.31%,Al2O3含量有所